光纖耦合論文

『壹』 高錕在光通信方面的突破性成就 急急急！！！

新華網北京10月6日電（記者 楊駿）瑞典皇家科學院6日宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕以及兩位美國科學家。高錕獲獎，是因為他在「有關光在纖維中的傳輸以用於光學通信方面」做出了突破性成就。

高錕被譽為「光纖之父」。早在1966年，高錕就在一篇論文中首次提出用玻璃纖維作為光波導用於通訊的理論。簡單地說，就是提出以玻璃製造比頭發絲更細的光纖，取代銅導線作為長距離的通訊線路。這個理論引起了世界通信技術的一次革命。隨著第一個光纖系統於1981年成功問世，高錕「光纖之父」美譽傳遍世界。

高錕還開發了實現光纖通訊所需的輔助性子系統。他在單模纖維的構造、纖維的強度和耐久性、纖維連接器和耦合器以及擴散均衡特性等多個領域都作了大量的研究，而這些研究成果都是使信號在無放大的條件下，以每秒億兆位元傳送至距離以萬米為單位的成功關鍵。

高錕1933年在上海出生。1949年隨家前往香港。1954年赴英國倫敦大學攻讀電機工程，並於1957年及1965年獲學士和哲學博士學位。從1957年開始，高錕即從事光導纖維在通訊領域運用的研究。1987年10月，高錕從英國回到香港，並出任香港中文大學第三任校長。從1987年到1996年任職期間，他為中文大學羅致了大批人才，使中大的學術結構和知識結構更加合理。在與內地科技界的交流合作中，他主張「一步一步把雙方的聯系實際化」。高錕於1996年當選為中國科學院外籍院士。

由於他的傑出貢獻，1996年，中國科學院紫金山天文台將一顆於1981年12月3日發現的國際編號為「3463」的小行星命名為「高錕星」

『貳』 誰可以推薦幾本有關光隔離器的書!(英文的也可以)

視光學——眼鏡光學 ￥13.30元
眼鏡光學是應用光學的一個分支，本書作為視光學教育的叢書之一，以應用光學中幾何光學的理論為基礎，著重闡明了眼鏡鏡片作為單一的光學元件及與人眼共軸組合的等效系統的光學特性。 ...
非線性光學 ￥30.40元
This textbook discusses the basic principles and some applications of a rapidly developing branch，nonlinear optics(NLO)，in the optics science．Nonlinear optics emerged in 1961 and has got well matured in past forty years．As the volume of this ...
光學工程基礎（一） ￥23.75元
本書是作者30多年來，在清華大學精密儀器與機械學系講授光學課程所積淀經驗的部分小結。全書內容共分9章： 光波、光線和成像； 近軸光學； 理想光學系統； 平面反射鏡與反射棱鏡； 常用光學系統； 光學系統中的光束限制； 光學系統的解析度、景深及光能的傳遞； 梯?...
納米技術中的顯微學手冊 第1卷:光學顯微學、掃描探針顯微學、離子顯微學和納米製造 ￥74.10元
現代顯微學在納米技術領域的研究和發展中起到「眼睛」和「手」的功能。迄今，人們仍在孜孜不倦地尋找納米尺度上的「火眼金睛」。本手冊的目的在於提供關於各種顯微學的原理及其在該迅猛發展的領域內應用的綜述參考書。本手冊共有22個專題，每一專題都由不同研究領域的 ...
光學教程 ￥45.60元
本教程以物理光學和應用光學為主體內容。第1章到第3章為應用光學部分，介紹了幾何光學基礎知識和光在光學系統中的傳播和成像特性，注意介紹了激光系統和紅外系統；第4～8章為物理光學部分，討論了光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振?...
光學顯微分析 ￥33.25元
本書為高等院校材料科學與工程專業「光學顯微分析」課程教材。全書共分18章，內容包括：光學顯微分析的基本方法（第1章至第12章）；金相及岩相的典型組織分析（第13章至第18章）。本書除了介紹光學顯微分析的基本原理和方法外，每章後附有實驗要求及思考題。本?...
光學原理（第七版）（下冊） ￥50.35元
本書是一部經典光學世界名著。全書以麥克斯韋宏觀電磁理論為基礎，系統闡述光在各種媒質中的傳播規律，包括反射、折射、偏振、色散、干涉、衍射、散射以及金屬光學（吸收媒質）和晶體光學（各向異性媒質）等。幾何光學也作為極限情況（波長λ→0）而納入麥克斯韋方 ...
光學原理（第七版）（上冊） ￥37.05元
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光學感測與測量 ￥26.60元
本教材系按原電子工業部制定的工科電子信息類專業教材1995～2000年編審出版計劃中的重點教材，由電子技術專業教學指導委員會審定並推薦出版。蘭信鉅教授擔任責任編委，華中理工大學葉嘉雄教授擔任主審。 本書的編寫有兩個目的，一是作為工科電子類(非光電子技術)測 ...
光學 ￥21.85元
本書以「光是什麼」為主線，以「h-r」判據對光學現象進行分類，分別介紹了光的波動性、電磁性、量子性和非線性．全書注重物理思想的闡述，注重基本概念、基本原理和基本方法的介紹；敘述力求邏輯嚴謹、深入淺出． 為了加強普通物理學與近代科學的有機聯系，本?...
液晶光學和液晶顯示 ￥56.05元
本書從液晶物理和化學基礎出發，詳細介紹了液晶光學，並討論了各類液晶顯示的原理，結構和特性，深入介紹了高端應用中液晶顯示的新發展，以及各類光學薄膜的應用。最後介紹了液晶顯示的制備、驅動和測量。 本書是液晶光學和液晶顯示的基礎和進展的學科概述，包 ...
現代光學超高倍顯微臨床圖譜 ￥152.00元
全書分為兩篇：上篇技術，下篇圖譜。以臨床醫學實驗的形態診斷工作為主線、按標本類型為章節編排，共計10章，每章內容又按標本的採集、貯存、送檢、處理、相關方法學及其質量控制、相關圖譜等順序編寫。顯微圖片均在光學超高倍顯微視野下按視頻大小實際攝制，精選出 ...
光學電磁理論 ￥30.40元
本書以電磁理論為基礎，將電磁理論與經典光學理論及現代光電信息技術相結合。從麥克斯韋方程組出發，對電磁波特別是針對光波段在各種媒介，包括在分層介質、多層膜、金屬及有損介質、金屬波導、介質波導及各類光纖、晶體及其他各向異性介質中的傳播特性及部分非線性 ...
工程光學 ￥27.55元
本書系統地介紹了幾何光學和波動光學的基礎理論。全書共分14蘋。前9章以幾何光學為基礎，介紹了幾何光學的基本定律、球面系統和平面系統的成像規律、高斯光學的基本理論及像差的基本概念，並介紹了典型光學系統和部分現代光學系統的原理和特性；第10～14章以波動光?...
集成光學 ￥26.60元
本書是關於集成光學的一本入門教材，系統而扼要地介紹了這一新興學科的原理、材料、工藝與技術發展。 全書共分為8章，內容包括：集成光學的概念、發展現狀和意義；平面介質光波導和耦合模理論；晶體在外場作用下的光學性質；集成光有源器件；集成光無源器件；?...
激光頻率的變換與擴展——實用非線性光學技術 ￥53.20元
本書系統地討論了在穩態和瞬態兩種不同情況下，利用非線性光學效應對激光頻率進行變換和擴展的各種方法：倍頻、和頻、差頻、光參量、四波混頻、三次諧波、雙光子吸收、光束自作用、高次諧波、受激光散射等，並從理論上進行了嚴謹的推導，從技術上進行了詳細的分析， ...
光學與光學工程——慶賀王大珩院士誕辰90周年學術論文集 ￥80.75元
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非線性光學晶體材料科學（第二版） ￥33.25元
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光折變非線性光學及其應用 ￥36.10元
本書系統地闡述了光折變效應，雙光束及多光束在光折變材料中寫入體相柵有光波耦合，光感應光散射的基本理論，並論述了光折變三維存儲器，自泵浦與互泵浦相位菜共軛器等。 ...
英漢光學與光通信詞彙 ￥114.00元
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偏振光學 ￥42.75元
本書從光的電磁理論出發，全面論述了光的偏振特性、處理偏振光學問題的主要方法以及偏振光的典型應用。具體內容包括：光在各向同性和各向異性介質中的傳播規律，處理偏振光學問題的矩陣計演算法和圖示法，各種偏振器件（偏振器、波片和補償器、隔離器、光纖偏振器、偏 ...
全息光學——設計、製造和應用 ￥64.60元
內容提要 本書是一部系統、完整地介紹全息光學元件的成像理論、製造方法和廣泛應用的專著。全書由緒論和十二章內容構成，分四個部分。第一部分敘述了全息光學元件成像的基本原理，近軸成像理論，光線追跡的概念和必要的坐標變換。第二部分介紹了全息光學系統的具體設?...

『叄』 本科論文課題是長周期波導光柵耦合器的理論研究，哪位高手能幫忙推導一下公式以及matlab畫圖！非常感謝

耦合器的插入損耗，附加損耗，分光比和隔離度的公式，急用在線等。 饋線損耗四捨五入到小數點後第一位 5dB耦合器 耦合端損耗 5dB 直通端損耗 1.7

『肆』 大神們幫忙做一下下面的題目（解題過程發至 [email protected] )

收稿日期：!""! # $" # $%&
基金項目：廣東省自然科學基金資助項目（』%"!(』，』%")*+，
""$!*』）,
光通信
多模光纖出射光束光強分布的研究
齊曉玲，王福娟，蔡志崗，江紹基
（中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東廣州!"#$%!）
摘要： 採用橫向偏移法測量以-./ 為激勵源的多模光纖纖芯截面光強分布和出射光束的
傳輸特性，將光強分布從近距光強分布和遠距光強分布兩方面進行討論，比較分析了理論曲線與實
驗曲線，指出-./ 作為光源的多模光纖光強分布非常有利於光耦合，並可通過測量多模光纖光強
分布得到光纖數值孔徑的大小。
關鍵詞： 光耦合；光強分布；數值孔徑
中圖分類號： 01!2) 文獻標識碼： 3 文章編號： $""$ # 2%+%（!"")）"! # "$$( # "*
&』()』*+(, -+*(.+/0(+1』 12 3.4』*5+(()6 7)45 12 809(+516) :;(+<49 =+/).
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KP8<JM7JJ79< TE8P8TKLP7JK7TJ 9O KP8<JM7KKLN SL8M 9O MA;K7M9NL 9UK7T8; O7SLP& 0EL 7<KL<J7KI N7JKP7SAK79< S9KE 7<
<L8P:O7L;N 8<N O8P:O7L;N 7J N7JTAJJLN PLJULTK7QL;I 8;9<= R7KE 8<8;IJ7J 9O KEL N7OOLPL<TL SLKRLL< KEL9PLK7T M9NL;
8<N LVULP7ML<K8; N8K8& 5K 7J 7<N7T8KLN KE8K KEL 7<KL<J7KI N7JKP7SAK79< 9O MA;K7M9NL 9UK7T8; O7SLP U9RLPLN SI -./
7J O7K O9P 9UK7T8; T9AU;7<= 8<N T8< SL AJLN K9 T8;TA;8KL <AMLP7T8; 8ULPKAPL（13）9O MA;K7M9NL 9UK7T8; O7SLP&
@), M1.6*： 9UK7T8; T9AU;7<=；9UK7T8; 7<KL<J7KI N7JKP7SAK79<；<AMLP7T8; 8ULPKAPL
$ 引言
隨著光纖通信技術的發展和密集波分復用
（/>/W）系統的應用，全光交換成為新一代全光網
的核心技術。光耦合包括光纖之間、光纖與光源之
間、光纖與探測器之間的耦合，是構成全光交換的重
要技術［$］。研究光纖出射光束的光強分布對有效光
耦合，即耦合對准時間短、耦合損耗小，起關鍵性作
用。
橫向偏移法［!］是一種用於探測光纖出射光束光
強分布的方法。目前，廣泛使用的遠場法［)］
（ 0P8<JM7KKLN @8P:O7L;N ）和發射近場測量法［*］
（0P8<JM7KKLN 1L8P:O7L;N）都是基於橫向偏移法的工作
原理。前者是用於測量光纖數值孔徑的大小，後者
是最直接，最簡單測量模場直徑的方法。
本文以提供有效光耦合的理論依據為目的，以
-./ 作為激勵源，採用橫向偏移法研究多模光纖芯
截面的光強分布和出射光束的傳輸特性。首先進行
了理論分析，並採用此方法測量了多模光纖出射光
束的光強分布，最後對實驗結果進行了詳細的分析，
並從近距（探測光纖與被探測光纖間的距離在2"
!M 內）和遠距（探測光纖與被探測光纖間的距離在
$)"!M 以外）對多模光纖出射光束的光強分布進行
討論。
! 理論
多模光纖中存在模式耦合和模式轉換，使各模
式所攜帶的能量比例隨光纖長度而變，直到達平衡
長度為止。只有達到平衡長度後光纖端面才有穩定
的功率分布，從而有穩定的耦合損耗［2］。
$B" 穩態功率分布與激勵條件
$$( 萬方數據
激勵條件主要是指耦合到光纖中的入射光束的
數值孔徑和光斑大小。有效的耦合要求入射光束的
數值孔徑和光斑直徑與光纖的數值孔徑和芯徑相匹
配，即等於或大於光纖的數值孔徑和芯徑，從而使光
纖中的所有模式充分激勵，易於實現穩態功率分布。
!"# 的譜線寬，可以激勵光纖中的所有傳輸模式，使
光纖易於達到穩態功率分布。
實現穩態功率分布的裝置主要是擾模器，其作
用是將初期的輻射模式或某些不穩定的模式經過模
式耦合轉變成穩定的導行模，或者由輻射而消失，最
後形成模式的穩態分布［$］。
!"! 多模光纖芯截面的光強分布
假設採用芯徑相同的階躍多模光纖分別作為探
測光纖和被探測光纖，認為光纖端面有穩定的功率
分布，且輸入、輸出光纖芯子上的光功率都是均勻分
布的。兩相同的多模階躍光纖，軸線橫向位移為!，
使兩耦合光纖的端面錯開，如圖% 所示。
圖% 橫向偏移! 的兩耦合光纖截面圖
耦合損耗由兩光纖端面的不重合引起。所以光
纖耦合效率! 將由輸入光纖面積"&
和輸出光纖的
有效接收面積"』 （圖% 中陰影部分）決定［(］：
"& # !$)
"』 # ) $)*+,,-. !
)$ % !$
) % % !
[ ! ( )$ ) ] ) （%）
! # "』
"&
# )!
*+,,-. !
)$ % !
)$ % % !
) ( ) [ ! $ ] )
!"# 多模光纖遠距的光強分布
在穩態功率分布條件下測量光纖的遠距強度分
布，比較接近高斯分布（見後面實驗測量曲線圖(）。
/ 實驗
實驗中，我們採用橫向偏移法來探測多模光纖
出射光束的光強分布，即使用兩根光纖對接耦合，測
量其耦合效率（或稱功率傳輸函數）與光纖橫向偏移
量的關系，並從測量曲線上確定光強功率分布。
實驗採用參數相同的兩根多模光纖分別作為探
測光纖與被探測光纖對接耦合，測量其耦合效率。
選用多模光纖作為探測光纖，這是由於其相對於單
模光纖具有好的信噪比且數值孔徑大［0］，因此，能將
盡可能多的光耦合到光纖中，使得光功率計讀取的
數據能更真實的反映光纖出射光束的實際光強分
布。實驗所用多模光纖為漸變型多模光纖，數值孔
徑為12)3( 4 121%(，芯徑為$)2("5。
首先，用光纖撥線鉗分別把兩光纖6%，6) 一側
端面的光纖套管和緩沖塗覆層撥去，用酒精將裸光
纖表面擦乾凈，後用光纖切割刀切端面，並用)11 倍
的光學顯微鏡觀察，可得到清潔、平整、垂直光纖軸
的光纖端面。然後把6% 和6) 光纖分別繞過擾模器
』，將6% 的裸端面一側固定在三維調節架&%（精度
為%1"5），另一端通過光纖活動連接頭與光源相
聯。為了便於得到穩態功率分布，我們採用!"# 光
源，其波長為% ((1 75；將6) 的裸端面固定在二維
調節架&)（一維精度是%1"5，另一維可調角度，精
度為%8），另一端接光功率計9，如圖)。
圖) 實驗測試裝置圖
假定光纖軸向為& 軸，零點為6% 裸端面處，』
軸為通過光纖芯徑的一個方向。!"# 發出的光入射
到6%，調節6)，使光纖6% 和6) 在軸向上對准，光束
從6% 裸端面出射耦合到6) 中，最後進入9。在不
同& 點，沿』 方向移動6% 端面，讀取一系列數據，為
了排除光功率計讀數的不穩定性，我們取每個測量
點多個讀數的平均，最後通過記錄的光功率數據所
作的曲線可確定光纖芯截面的光強分布和光束的傳
輸特性。
0 討論
我們把!"# 光源激發的多模光纖出射光束的
光強分布分為近距和遠距的光強分布來分析。
$"% 近距光強分布
圖/（*）:（;）分別為探測光纖端面與被探測光
纖端面距離，即& 分別為1，%1，/1，(1"5 所對應的
關系曲線，其中橫坐標表示沿』 方向的橫向偏移與
%%< 萬方數據
纖芯半徑的比值! " #，縱坐標表示耦合效率!。由
圖! 可以得出：
（"）隨著探測光纖端面與被探測光纖端面之間
的距離增大，光纖最大耦合效率總的趨勢減小，但是
$ 在#$!% 以內減少的非常緩慢，耦合效率有微小
的起伏，但仍在實驗誤差范圍以內（見表"），因此，
光耦合效率受兩光纖端面距離影響較小，插入損耗
標准一定時，可以主要考慮其它引起損耗的因素，而
對兩光纖距離的要求可以適當降低。
表! 不同! 處的最大耦合效率
$ &!% $ "$ !$ #$
! $』($" )! $』*+, *- $』** $』*-
插入損耗& ./ $』$)# $』$#( $』$#- $』$--
（,）大部分能量集中在多模光纖的纖芯直徑
-,』#!% 內，也就是圖中所畫黑色方框（寬-,』 #!%，
長$』(!%）內。這是由於光功率主要集中在被探測
光纖芯徑中傳輸，所以探測到的光功率主要集中在
-,』#!% 的范圍內。
（!）光耦合效率在芯徑范圍內存在一個平頂現
象。實驗中為了得到穩定功率分布，我們採用了
012 光源，從而盡可能的激發起多模光纖可存在的
所有模式，光纖出射光束的光強分布是各階模式疊
加的結果，可以認為光功率在纖芯截面上是均勻分
布的。因此，在纖芯截面上耦合效率出現平頂現象。
為了進行對比，我們還採用了02 作為激勵源進行
了相同的實驗，實驗結果如圖) 所示。02 光源只能
激發出多模光纖中的低階模式，光功率主要集中在
纖芯軸附近，其出射光強分布近似於高斯分布，而不
存在平頂。由此可以得出：在城域網或區域網中用
多模光纖傳輸信息時，使用012 光源非常有利於光
纖間的耦合。
（)）圖!（3）中虛線是根據公式（"）畫出的理論
曲線。可以看出，實驗曲線和理論曲線有相當大的
差別。一方面，實驗曲線出現平頂現象，理論曲線沒
有。另一方面，理論曲線比實驗曲線的耦合效率減
少的快。這是因為雖然我們在實驗中為了盡量滿足
理論推導的假設條件———光纖芯截面光強均勻分
布，採用了012 光源和擾模器，但實驗中被探測多
模光纖的光強不僅分布在纖芯中，還進入到了光纖
包層中。此外，採用多模光纖探測不能簡單地認為
是以點探測，而是以探測光纖端面來探測，功率計讀
（3） $ 4 $!%
（5） $ 4 $!%
（6） $ 4 $!%
（.） $ 4 #$!%
圖! 橫向偏移量和耦合效率的關系
圖) 02 作為激勵源的光強分布
""( 萬方數據
取的數據實際上是探測光纖端面接受到數值孔徑范
圍內被探測光纖的纖芯和包層出射光束的總功率。
因此，實驗曲線出現了平頂現象。導致實驗曲線中
耦合效率較之理論曲線減少的慢也是基於上述原
因。理論公式中沒有考慮光纖包層可能傳輸的光功
率對耦合的影響。可見，採用簡單的幾何光學分析
多模光纖光強分布是不夠的。
!"# 遠距光強分布
圖!（"）#（$）分別為探測光纖端面與被探測光
纖端面距離! 分別為%&』，&』』，% 』』』，( 』』』!) 所對
應的關系曲線，其中橫坐標表示沿" 方向的橫向偏
移，縱坐標表示耦合功率#。由圖! 可以得出：（%）
圖中各點代表實驗點，曲線是高斯擬合曲線。可以
看出實驗曲線和高斯曲線擬合的非常好，已在圖中
標出。說明多模光纖出射光束的遠距光強分布呈高
斯分布。（*）從各圖橫坐標的范圍可以看出，隨著探
測光纖端面與被探測光纖端面距離增大，可測得的橫
向偏移越大，說明出射光束是不斷發散的，見圖+。
（"） ! , %&』!)
（-） ! , &』』!)
（.） ! , % 』』』!)
（$） ! , ( 』』』!)
圖! 距離被探測光纖端面不同點的光強分布
圖+ 歸一化光強#/
分布
（&）根據圖! 求出探測光纖端面與被探測光纖
端面不同距離的功率半高寬，並作圖（見圖(）。可
以通過光纖出射光束遠距%&』 # &』』!) 的光強分布
求出光纖的數值孔徑為』0 *+，這與已知的數值孔徑
』0*(! 1 』0』%! 比較吻合。
圖( 距被探測光纖不同距離的功率半高寬
由以上分析可知，近距分布就是指探測光纖端
面與被探測光纖端面距離約在!』!) 以內的光強分
布。其分布在芯徑+*0!!) 內約!』!) 左右呈均勻
分布，且耦合效率減少緩慢，便於進行光耦合。遠距
分布指探測光纖端面與被探測光纖端面距離約在
%&』!) 以外的光強分布，呈高斯分布，根據其光強
分布的實驗曲線可求出光纖的數值孔徑。
（下轉第%&』 頁）
%*』 萬方數據
! 結論
各向異性刻蝕是"#"$ 工藝中非常重要的一
環。%"&』 由於具有刻蝕速度快、刻蝕的晶向依賴
性好、毒性低、易控制，以及與(")$ 工藝兼容等優
點而成為"#"$ 濕法刻蝕工藝中常用的刻蝕劑。為
了解決%"&』 在刻蝕硅的過程中刻蝕表面易形成小
丘的問題，通過採用在底質量百分比的%"&』 溶液
中添加硅酸和過硫酸銨的方法，得到了較高的刻蝕
速度和光滑的刻蝕表面。從實驗中也可以發現，要
獲得理想的刻蝕效果，刻蝕液配方和刻蝕流程的選
擇是非常重要的因素。
致謝：實驗中得到了中國電子科技集團公司第
** 研究所的大力支持與合作，在此致以真誠的謝
意。
參考文獻：
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作者簡介：
羅元（+B?> N ），+BB; 年畢業於浙江大學，+BBM
年在重慶郵電學院獲工學碩士學位，現為重慶大學
光電工程學院博士生，研究方向為光纖通信及
"#"$ 光通信器件，已在國內外刊物和國際學術會
議上發表論文近+< 篇。
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9HGF7DF@I^>M;, IH2
（上接第+>< 頁）
! 結論
我們採用橫向偏移法測量了多模光纖出射光束
的光強分布，並從近距光強分布和遠距光強分布兩
部分進行了分析。0#/ 可以激發出多模光纖的所有
模式，光功率在纖芯截面上呈均勻分布，隨著探測光
纖與被探測光纖端面的距離增大，光纖出射光束在
空氣中傳輸超過+;<!9，其光強分布呈高斯分布。
從實驗中了解0#/ 作為激勵的多模光纖近距光強
分布，可知光耦合中存在微小橫向偏移和間隙時對
耦合效率影響不大，有利於縮短耦合對准時間，並得
到理想的耦合效率；由遠距光強分布圖可求出多模
光纖的數值孔徑。
參考文獻：
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26@I59C22HQ @IQ 6HJ6@82HQ IH@6 JCHGQ［ L ］, L, 0C=124@\H
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［!］ %5F81CD@ 』 ， W@]@=79H 』 , /7FOGH H88HI26C8
87IIH82765 J76 732C8@G JCOH65 ［L］, &33G, )32, ，+B??，+M（!）：
+ ;>; N + ;;+,
［M］ 彭吉虎，吳伯瑜, 光纖技術及應用［"］, 北京：北京理
工大學出版社，+BB!, !B N M>,
作者簡介：
齊曉玲（+B?> N ），女，山西太原人，+BBM 年畢業
於南京郵電學院無線電工程系，><<< 年開始攻讀碩
士學位，主要從事信息光子學的研究。
!"#$%&：UKGOHGG^5CI@, 879
+;< 萬方數據
多模光纖出射光束光強分布的研究
作者： 齊曉玲， 王福娟， 蔡志崗， 江紹基
作者單位： 中山大學,光電材料與技術國家重點實驗室,廣東,廣州,510275
刊名：
半導體光電
英文刊名： SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS
年，卷(期)： 2003，24(2)
引用次數： 12次
參考文獻(6條)
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image analysis 2000(5)
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5.Tsuchiya H.Nakagome H Double eccentric connectors for optical fibers 1977(5)
6.彭吉虎.吳伯瑜光纖技術及應用 1995
相似文獻(8條)
1.學位論文齊曉玲 光通信元器件中光耦合的研究 2003
該文對光通信元器件中的光耦合進行了深入的研究.主要內容包括:首先,對光耦合理論的研究.該文從光線理論和電磁波理論出發,綜述了光纖耦合的
插入損耗、傳光特性的理論,深入研究了普遍適用於光通信中計算耦合效率的理論公式.其次,進行了光纖間耦合實驗.分析了多模光纖出射光束的光強分
布,研究了存在軸向偏移、橫向偏移或其他因素時對光耦合的影響.最後,在深入討論光纖間耦合實驗結果和理論分析光纖與波導間耦合的基礎上,綜述了
光纖端面修飾的各種方法,理論研究了SMF+GIF光纖對模場半徑的改變,並與實驗結果進行了比較,為更好的得到不同光元器件的耦合進行了有意義的嘗試.
2.期刊論文程湘.王宇華.段發階.葉聲華.CHENG Xiang.WANG Yu-hua.DUAN Fa-jie.YE Sheng-hua 光纖間光的耦合
研究-光電子·激光2005,16(4)
使用簡化為一維積分的數值方法計算分析了光纖耦合效率和接收光功率,為應用時的設計計算和測量數據的分析計算提供了一個准確方法
.62.5/125多模光纖在高斯光強分布下的數值計算結果與實驗測量結果的一致性表明,高斯光束可以較好地表示光纖光強的分布.對光纖耦合系數和近場范
圍內的光纖接收光強的測量數據的分析必須使用准確的方法計算,近似方法存在較大的誤差.
3.學位論文秦華 固體激光介質對泵浦光的吸收理論與Cr<'4+>：YAG調QNd：YVO<,4>激光器實驗及耦合系統分析
2005
激光二極體泵浦代替燈泵浦是固態激光器發展的歷史選擇，一是因為激光二極體泵浦的固體激光器比燈泵浦的固體激光器有更高的效率和更好的頻
率穩定性且線寬變窄；二是相對於直接使用激光二激管本身，激光二極體泵浦的固體激光器線寬窄、峰值功率高、亮度高等優點。 本文從固體激
光器的發展歷史出發，闡述了二極體泵浦的全固化激光器在激光器領域中重要地位的形成及發展趨勢，對其存在的問題及解決這些問題已有的做法也作
了簡單的總結。本文還在如下幾個方面作了新探索。 1.激光晶體對泵浦光的吸收亦即泵浦光在激光介質中的變化。 迄今為止，人們一直使
用比爾公式(I=I0e-βL，β為吸收系數，L為光在激光介質中的傳輸距離，I0為入射光強，I為L處光強)來計算固體激光介質中抽運光強度的變化。但是
本文認為比爾公式存在一個應用范圍，即入射光強I0較小時此公式才適用。本文從激光介質中能量傳輸和能級躍遷速率方程出發，在一定的近似條件下
，給出了抽運光強度變化的解析解。結果表明，在一定傳輸距離范圍內，隨著抽運光能量密度的增大，增益介質對抽運光的吸收規律逐漸由指數函數變
為近似線性函數。把這個理論應用於具體激光晶體，給出了泵浦光在激光晶體中隨傳輸距離指數變化、線性變化范圍以及介於這兩者之間的泵浦光的變
化規律。論文第二章介紹了這方面的工作。 2.全固化激光器中激光晶體與泵浦光的耦合尤其是大尺寸激光二極體陣列的光耦合是高效全固化激光
器的關鍵問題。本文根據激光二極體的發光特性，分析了由微柱透鏡陣列和透鏡導管組成的耦合系統。較之前人的分析，本文給出了詳細的數學處理過
程，結合此數學處理方法用Matlab編制了一整套程序，包括模擬光線在耦合器件中的傳輸過程程序、光束通過耦合器件後光強在垂直光傳輸方向上光強
分布程序及光耦合效率程序。其中對於透鏡導管的模擬結果得到了與前人不同的結論，即光束經過透鏡導管後隨著離透鏡導管出口越來越遠光斑分裂。
而這之前一直認為透鏡導管出口後的光強是准高斯分布。本論

『伍』 張紅霞的發表論文

張紅霞，劉海濤，井文才，徐天華，賈大功，張以謨，保偏光纖偏振耦合應力感測器的研究，光電子?激光，2008, 19(11): 1442-1445 (EI085011777519)
張紅霞，張以謨，井文才，劉琨，賈大功，李朝輝，偏振耦合測試儀中白光干涉包絡的提取，光電子?激光，2007, 18(4): 450-453（EI 072410652487）
張紅霞，賈大功，唐鋒，白光掃描干涉儀用於保偏光纖偏振耦合測試，紅外與激光工程，2007, 36(3): 305-308 (EI 073110717226)
張紅霞，唐鋒，井文才，劉琨等，偏振耦合測試在分布式應力感測中的理論分析，感測技術學報，2007, 20(1): 208-212
張紅霞，張以謨，井文才，李朝輝等，微表面形貌大視場檢測相移顯微干涉儀研製，光電子激光，2006, 17(8): 934-936 （EI 310201087）
張紅霞，張以謨，井文才，周革，李岩，檢測微表面形貌的Mirau相移干涉輪廓儀，天津大學學報，2005, 38(5): 377-380（EI 05269184801）
張紅霞，張以謨,井文才等，Mirau相移干涉術中的中心遮攔研究，光電子?激光，2004, 15(10): 1218-1221 (EI 05028785384)
賈大功，張紅霞，井文才，張以謨. 無源對稱光學結構雙通道光纖旋轉連接器. 光電工程，2004, 31(6): 17-20（EI 04448436798）
劉娜，張紅霞，張以謨，井文才，李朝輝，周革，微面形貌光電觀測系統的光學結構，天津大學學報，2004, 37(8): 733-736（EI 04488687206）
劉娜，張紅霞，張以謨，井文才，李朝輝，周革，微形貌觀測鏡變焦系統的設計，光電子?激光，2004, 15(3): 270-274 （EI 04298266409）

『陸』 光感測器的相關論文

·《振動/溫度光纖光柵感測器技術研究》
·《分布式光纖光柵感測系統的研究》
·《保偏光纖布拉格光柵感測技術研究》
·《基於節流—遮斷功能分離的真空失效遮斷器結構及試驗研究》
·《干涉型光纖感測器的信號處理系統》
·《PZT晶片敏感元分析及性能實驗》
·《棱鏡光波導耦合型液體折射率感測器的研製》
·《反射式光強調制光纖測振系統的設計與研究》
·《光纖EFPI感測器系統及其在油氣井中應用的研究》
·《用於煤礦瓦斯探測的光纖感測器的研究》
·《基於P-OTDR分布式光纖感測器若干問題的研究》
·《模間干涉光纖感測器的研究》
·《油氣井中超結構光纖光柵感測器系統的應用研究》
·《光纖Bragg光柵稱重感測器的研製》 On9658集成了光接收雙敏感元，微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，也就是把以前在電路板上作的電路全集成到一顆小小的IC里了。應用電路簡單，成本核算下來跟用光敏電阻來實現相同功能的電路成本差不多。

『柒』 怎麼用2*2耦合器實現光纖光束分光

兩個完全對稱的產品，每一端都有兩根光纖， 把光輸入到其中任意一根光纖，光都會分到另一端的兩根光纖輸出即可。一般沒特別說明的話，分光比是50%：50%。
光纖耦合器（Coupler）又稱分歧器（Splitter），是將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬於光被動元件領域，在電信網路、有線電視網路、用戶迴路系統、區域網路中都會應用到，與光纖連接器分列被動元件中使用最大項的。光纖耦合器可分標准耦合器（雙分支，單位1×2，亦即將光訊號分成兩個功率）、星狀／樹狀耦合器、以及波長多工器（WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM），製作方式則有燒結（Fuse）、微光學式（Micro Optics）、光波導式（Wave Guide）三種，而以燒結式方法生產佔多數（約有90％）。 燒結方式的製作法，是將兩條光纖並在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用，而其中最重要的生產設備是融燒機，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機器代工，但燒結之後，仍須人工作檢測封裝。

『捌』 寫關於光學功能材料的論文，知道的給我一篇，沒有的給我些資料，加圖片，謝謝了。

稀土摻雜氟化物多波長紅外顯示材料的研究
摘 要
本文簡單介紹了稀土發光原理、上轉換發光材料的大致發展史、紅外上轉換發光材料的應用以及當前研究現狀。以PbF2為基質材料，ErF3為激活劑，YbF3為敏化劑，採用高溫固相反應法制備了PbF2: Er,Yb上轉換發光材料。重點討論了制備過程中，制備工藝中的燒結時間、燒結溫度對紅外激光顯示材料發光效果的影響。研究了Er3+/Yb3+發光系統在1064nm激光激發下的熒光光譜和上轉換發光的性質。實驗表明，在1064nm激光激發下，材料可以發射出綠色和紅色熒光，是一種新型的紅外激光顯示材料。
關鍵字：1064nm 上轉換 紅外激光顯示 Er3+/Yb3+
Abstract
This paper simply described the rare earth luminescence mechanism, the development of up-conversion materials and their applications were systematically explained. Present situation of the research on infrared up-conversion luminescence is also presented. PbF2 as matrix, ErY3 as activator and YbF3 as sensitizer were adopted to synthesize PbF2: Er,Yb up-conversion material with high temperature solid-phase reaction. A great emphasize was paid on the factors that effect on the luminescence properties of infrared laser displayed materials such as sinter temperature, time of sinter. The luminescence system of Er3+/Yb3+, their fluorescence spectrum and their character of up-conversion with 1064nm LD as an excitation source were studied. The experimental results that intense green and wed up-conversion emissions were observed under 1064nm LD excitation, which is a new type of infrared laser displayed materials.
Key Words: 1064nm Up-conversion Infrared laser displayed materials Er3+/Yb3+
目 錄
摘要
Abstract
第一章 緒論 1
1.1 稀土元素的光譜理論簡介 1
1.1.1 稀土元素簡介 1
1.1.2 稀土離子能級 1
1.1.3 晶體場理論 2
1.1.4 基質晶格的影響 2
1.2 上轉換發光材料的發展概況 3
1.3 上轉換發光的基本理論 4
1.3.1 激發態吸收 4
1.3.2 光子雪崩上轉換 4
1.3.3 能量傳遞上轉換 5
1.4 敏化機制與摻雜方式 6
1.4.1 敏化機制 6
1.4.2 摻雜方式 7
1.5 上轉換發光材料的應用 8
1.6 本論文研究目的及內容 8
第二章 紅外激光顯示材料的合成與表徵 10
2.1 紅外激光顯示材料的合成 10
2.1.1 實驗葯品 10
2.1.2 實驗儀器 10
2.1.3 樣品的制備 11
2.2 紅外激光顯示材料的表徵 12
2.2.1 XRD 12
2.2.2 熒光光譜 12
第三章 結果與討論 14
3.1 基質材料的確定 14
3.2 助熔劑的選擇 15
3.3 燒結時間的確定 15
3.4 燒結溫度的確定 16
3.5 摻雜濃度的確定 17
結 論 21
參考文獻 22
致 謝 23第一章 緒論
1.1 稀土元素的光譜理論簡介
1.1.1 稀土元素簡介
稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序數為21的鈧（Sc）：39的釔（Y）和原子序數57至71的鑭系中的鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鑥（Lu），共17個元素[1]。
稀土元素的原子具有未充滿的受到外界屏蔽的4f和5d電子組態，因此具有豐富的電子能級和長壽命激發態，能級躍遷通道多達20餘萬個，可以產生多種多樣的輻射吸收和發射。稀土化合物發光是基於它們的4f電子在f-f組態之內或f-d組態之間的躍遷。
稀土發光材料具有許多優點：
（1）與一般元素相比，稀土元素4f電子層構型的特點，使其化合物具有多種熒光特性；
（2）稀土元素由於4f電子處於內存軌道，受外層s和P軌道的有效屏蔽，很難受到外部環境的干擾，4f能級差極小，f-f躍遷呈現尖銳的線狀光譜，發光的色純度高；
（3）熒光壽命跨越從納秒到毫秒6個數量級；
（4）吸收激發能量的能力強，轉換效率高；
（5）物理化學性質穩定，可承受大功率的電子束、高能輻射和強紫外光的作用。
1.1.2稀土離子能級
稀土離子具有4f電子殼層，但在原子和自由離子的狀態由於宇稱禁戒，不能發生f-f電子躍遷[3&7]。在固體中由於奇次晶場項的作用宇稱禁戒被解除，可以產生f-f躍遷，4f軌道的主量子數是4，軌道量子數是3，比其他的s，p，d軌道量子數都大，能級較多。除f-f躍遷外，還有4f-5d，4f-6s，4f-6p電子躍遷。由於5d，6s，6p能級處於更高的能級位置，所以躍遷波長較短，除個別離子外，大多數都在真空紫外區域。由於4f殼層受到5s2，5p6殼層的屏蔽作用，對外場作用的反應不敏感，所以在固體中其能級和光譜都具有原子狀態特徵。因此，f-f躍遷的光譜為銳線，4f殼層到其他組態的躍遷是帶狀光譜，因為其他組態是外殼層，受環境影響較大。
稀土離子在化合物中一般出現三價狀態，在可見和紅外光區觀察的光譜大都屬於4fN組態內的躍遷，在給定組態後確定光譜項的一般方法是利用角動量耦合和泡利原理選出合理的光譜項，但這種方法在電子數多，量子數大時，相當麻煩且容易出錯。所以，對稀土離子不太適合。利用群論方法，採用U7>R7>G2>R3群鏈的分支規則可以方便地給出4fN組態的全部正確的光譜項，通常用大寫的英文字母表示光譜項的總軌道角動量的量子數的數目，如S，P，D，F，G，H，I，K，L，M，N，O，Q……分別表示總軌道角動量的量子數為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，……，25+l表示光譜項的多重性，S是總自旋量子數。在光譜學中，用符號2S+1L表示光譜項。
1.1.3 晶體場理論
晶體場理論認為，當稀土離子摻入到晶體中，受到周圍晶格離子的影響時，其能級不同自由離子的情況。這個影響主要來自周圍離子產生的靜電場，通常稱為晶體場[2]。晶體場使離子的能級劈裂和躍遷幾率發生變化。稀土離子在固體中形成典型的分立發光中心。在分立發光中心中，參與發光躍遷的電子是形成中心離子本身的電子，電子的躍遷發生在離子本身的能級之間。中心的發光性質主要取決於離子本身，而基質晶格的影響是次要的。
稀土離子的4f電子能量比5s，5p軌道高，但是5s，5p軌道在4f軌道的外面，因而5s，5p軌道上的電子對晶體場起屏蔽作用，使4f電子受到晶體場的影響大大減小。稀土離子4f電子受到晶體場的作用遠遠小於電子之間的庫侖作用，也遠遠小於4f電子的自旋—軌道作用。考慮到電子之間的庫侖作用和自旋—軌道作用，4f電子能級用2J+I LJ表示。晶體場將使具有總角動量量子數J的能級分裂，分裂的形式和大小取決於晶體場的強度和對稱性。稀土離子4f能級的這種分裂，對周圍環境（配位情況、晶場強度、對稱性）非常敏感，可作為探針來研究晶體、非晶態材料、有機分子和生物分子中稀土離子所在局部環境的結構，且2J+I LJ能級重心在不同的晶體中大致相同，稀土離子4f電子發光有特徵性，因而很容易根據譜線位置辨認是什麼稀土離子在發光。
1.1.4 基質晶格的影響
基質晶格對f→d躍遷的光譜位置有著強烈的影響，另外其對f→f躍遷的影響表現在三個方面：
（1）可改變三價稀土離子在晶體場所處位置的對稱性，使不同躍遷的譜強度發生明顯的變化；（2）可影響某些能級的分裂；（3）某些基質的陰離子團可吸收激發能量並傳遞給稀土離子而使其發光，即基質中的陰離子團起敏化中心的作用。特別是陰離子團的中心離子（Me）和介於中間的氧離子O2-以及取代基質中陽離子位置的稀土離子（RE）形成一直線，即Me-O-RE接近180°時，基質陰離子團對稀土離子的能量傳遞最有效。
1.2 上轉換發光材料的發展概況
發光是物體內部以某種方式吸收的能量轉換為光輻射的過程。發光學的內容包括物體發光的條件、過程和規律，發光材料與器件的設計原理、制備方法和應用，以及光和物質的相互作用等基本物理現象。發光物理及其材料科學在信息、能源、材料、航天航空、生命科學和環境科學技術中的應用必將促進光電子產業的迅猛發展，這對全球的信息高速公路的建設以及國家經濟和科技的發展起著舉足輕重的推動作用。三價鑭系稀土離子具有極豐富的電子能譜，因為稀土元素原子的電子構型中存在4f軌道，為多種能級躍遷創造了條件，在適當波長的激光的激發下可以產生眾多的激光譜線，可從紅外光譜區擴展到紫外光譜區。因此，稀土離子發光研究一直備受人們的關注。
60年代末，Auzel在鎢酸鐿鈉玻璃中意外發現，當基質材料中摻入Yb3+離子時，Er3+、Ho3+和Tm3+稀土離子在紅外光激發下可發出可見光，並提出了「上轉換發光」的觀點[5&4]。所謂的上轉換材料就是指受到光激發時，可以發射比激發波長短的熒光的材料。其特點是激發光光子能量低於發射光子的能量，這是違反Stokes定律的。因此上轉換發光又稱為「反Stokes發光」。
從七十年代開始，上轉換的研究轉移到單頻激光上轉換。到了八十年代由於半導體激光器泵浦源的發展及開發可見光激光器的需求，使其得到快速發展。特別是近年來隨著激光技術和激光材料的進一步發展，頻率上轉換在緊湊型可見激光器、光纖放大器等領域的巨大應用潛力更激起廣大科學工作者的興趣，把上轉換發光的研究推向高潮，並取得了突破性實用化的進展。隨著頻率上轉換材料研究的深入和激光技術的發展，人們在考慮拓寬其應用領域和將已有的研究成果轉換成高科技產品。1996年在CLEO會議上，Downing與Macfarlanc等人合作提出了三色三維顯示方法，雙頻上轉換三維立體顯示被評為1996年物理學最新成就之一，這種顯示方法不僅可以再現各種實物的立體圖像，而且可以隨心所欲的顯示各類經計算機處理的高速動態立體圖像，具有全固化、實物化、高分辨、可靠性高、運行速度快等優點[15]。上轉換發光材料的另一項很有意義的應用就是熒光防偽或安全識別，這是一個應用前景極其廣闊的新興研究方向。由於在一種紅外光激發下，發出多條可見光譜線且各條譜線的相對強度比較靈敏地依賴於上轉換材料的基質材料與材料的製作工藝，因而仿造難、保密強、防偽效果非常可靠。
目前，研究的稀土離子主要集中在Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm3+和Pr3+等三價陽離子。Yb3+離子由於其特有的能級特性，是一種最常用的敏化離子。一般來說，要制備高效的上轉換材料，首先要尋找合適的基質材料，當前研究的上轉換材料多達上百種，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和單晶。其化合物可分為：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）鹵氧化物；（4）硫氧化物；（5）硫化物等。
迄今為止，上轉換發光研究取得了很大的進展，人們已在氟化物玻璃、氟氧化物玻璃及多種晶體中得到了不同摻雜稀土離子的藍綠上轉換熒光。
1.3 上轉換發光的基本理論
通過多光子機制把長波輻射轉換成短波輻射稱為上轉換，其特點是吸收光子的能量低於發射光子的能量[2&8]。稀土離子上轉換發光是基於稀土離子4f電子能級間的躍遷產生的。由於4f外殼層電子對4f電子的屏蔽作用，使得4f電子態間的躍遷受基質的影響很小，每種稀土離子都有其確定的能級位置，不同稀土離子的上轉換發光過程不同。目前可以把上轉過程歸結於三種形式：激發態吸收、光子雪崩和能量傳遞上轉換。
1.3.1激發態吸收
激發態吸收（Excited Stated Absorption簡寫為ESA）是上轉換發光中的最基本過程，如圖1-1所示。首先，發光中心處於基態能級E0的電子吸收一個ω1的光子，躍遷到中間亞穩態E1上，E1上的電子又吸收一個ω2光子，躍遷到高能級E2上，當處於能級E2上的電子向基態躍遷時，就發射一個高能光子。

圖1-1 上轉換的激發態吸收過程
1.3.2 光子雪崩上轉換
光子雪崩上轉換發光於1979年在LaCl3∶Pr3+材料中首次發現。1997年，N. Rakov等報道了在摻Er3+氟化物玻璃中也出現了雪崩上轉換。由於它可以作為上轉換激光器的激發機制，而引起了人們的廣泛的注意。「光子雪崩」過程是激發態吸收和能量傳輸相結合的過程，如圖1-2所示，一個四能級系統，Mo、M1、M2分別為基態和中間亞穩態，E為發射光子的高能級。激發光對應於M1→E的共振吸收。雖然激發光光子能量同基態吸收不共振，但總會有少量的基態電子被激發到E與M2之間，而後弛豫到M2上。M2上的電子和其他離子的基態電子發生能量傳輸I，產生兩個位於M1的電子。一個M1的電子在吸收一個ω1的光子後激發到高能級E。而E能級的電子又與其他離子的基態相互作用，產生能量傳輸II，則產生三個為位於M1的電子，如此循環，E能級上的電子數量像雪崩一樣急劇地增加。當E能級的電子向基態躍遷時，就發出能量為ω的高能光子。此過程就為上轉換的「光子雪崩」過程。

圖1-2 光子雪崩上轉換
1.3.3能量傳遞上轉換
能量轉移（Energy Transfer，簡寫成ET）是兩個能量相近的激發態離子通過非輻射過程藕合，一個回到低能態，把能量轉移給另一個離子，使之躍遷到更高的能態。圖1-3列出了發生能量傳遞的幾種可能途徑：（a）是最普通的一種能量傳遞方式，處於激發態的施主離子把能量傳給處於激發態的受主離子，使受主離子躍遷到更高的激發態去；（b）過程稱為多步連續能量傳遞，在這一過程中，只有施主離子可以吸收入射光子的能量，處於激發態的施主離子與處於基態的受主離子間通過第一步能量傳遞，把受主離子躍遷到中間態，然後再通過第二步能量傳遞把受主離子激發到更高的激發態；（c）過程可命名為交叉弛豫能量傳遞（Cross Relaxation Up-conversion，簡稱CR），這種能量傳遞通常發生在相同離子間，在這個過程中，兩個相同的離子通過能量傳遞，使一個離子躍遷到更高的激發態，而另一個離子弛豫到較低的激發態或基態上去；（d）過程為合作發光過程的原理圖，兩個激發態的稀土離子不通過第三個離子的參與而直接發光，他的一個明顯的特徵是沒有與發射光子能量匹配的能級，這是一種奇特的上轉換發光現象；（e）過程為合作敏化上轉換，兩個處於激發態的稀土離子同時躍遷到基態，而使受主離子躍遷到較高的能態。

（a）普通能量傳遞 （b）多步連續能量傳遞

（c）交叉弛豫能量傳遞 （d）合作發光能量傳遞

（e）合作敏化上轉換能量傳遞
圖1-3 幾種能量傳遞過程的示意圖
稀土離子的上轉換發光都是多光子過程，在多光子過程中，激發光的強度與上轉換熒光的強度有如下關系：
Itamin ∝ Iexcitationn
其中Itamin表示上轉換熒光強度，Iexcitation表示激發光強度，在雙對數坐標下，上轉換熒光的強度與激發光的強度的曲線為一直線，其斜率即為上轉換過程所需的光子數n，這個關系是確定上轉換過程是幾光子過程的有效方法。
1.4 敏化機制與摻雜方式
1.4.1 敏化機制
通過敏化作用提高稀土離子上轉換發光效率是常用的一種方法[9]。其實質是敏化離子吸收激發能並把能量傳遞給激活離子，實現激活離子高能級的粒子數布居，從而提高激活離子的轉換效率，這個過程可以表述如下：
Dexc+A→D+Aexc
D表示施主離子，A是受主離子，下標「exc」表示該離子處於激發態。Yb3+離子由於特有的能級結構，是最常用的也是最主要的一種敏化離子。
（1）直接上轉換敏化
對與稀土激活中心（如Er3+，Tm3+，Ho3+）和敏化中心Yb3+共摻的發光材料，由於Yb3+的2F5/2能級在910-1000nm均有較強吸收，吸收波長與高功率紅外半導體激光器的波長相匹配。若用激光直接激發敏化中心Yb3+，通過Yb3+離子對激活中心的多步能量傳遞，可再將稀土激活中心激發至高能級而產生上轉換熒光，這類過程會導致上轉換熒光明顯增強，稱之為直接上轉換敏化。圖1-4以Yb3+/Tm3+共摻雜為例給出了該激發過程的示意圖。

圖1-4 直接上轉換敏化
（2）間接上轉換敏化
由於Yb3+離子對910-1000 nm間泵浦激光吸收很大，泵浦激光的穿透深度非常小，因此雖然在表面的直接上轉換敏化能極大的提高上轉換效率，但它卻無法應用到上轉換光纖系統中。針對這種情況，國際上與1995-1996年首次提出了「間接上轉換敏化」方法[7]。間接上轉換敏化的模型首先在Tm3+/Yb3+雙摻雜體系中提出的：當激活中心為Tm3+時，如果激發波長與Tm3+的3H6→3H4吸收共振，激活中心Tm3+就被激發至3H4能級，隨後處於3H4能級的Tm3+離子與位於2F5/2能級的Yb3+離子發生能量傳遞，使Yb3+離子的2F5/2能級上有一定的粒子數布居。然後處於激發態2F5/2的Yb3+離子再與Tm3+進行能量傳遞，實現Tm3+的1G4能級的粒子數布居，這樣就通過Tm3+→Yb3+→Tm3+獻的能量過程間接地把Tm3+離子激發到了更高能級1G4。從而導致了Tm3+離子的藍色上轉換熒光。圖1-5給出了間接上轉換敏化的示意圖。考慮到稀土離子的敏化作用與前述的上轉換機理，在實現上轉換發光的摻雜方式通常要考慮如下幾點：（1）敏化離子在激發波長處有較大的吸收截面和較高的摻雜濃度；（2）敏化離子與激活離子之間有較大的能量傳遞幾率；（3）激活離子中間能級有較長的壽命。

圖1-5 間接上轉換敏化
1.4.2 摻雜方式
表1-1給出了當前研究比較多的摻雜體系，表中同時列出了某一摻雜體系對應的激發波長、基質材料、敏化機制等。
表1-1 常見的摻雜體系
稀土離子組合 激發波長 基質材料 敏化機制
單摻雜 Er3+ 980nm ZrO2納米晶體 —
Nd3+ 576nm ZnO–SiO2–B2O3 —
Tm3+ 660nm AlF3/CaF2/BaF2/YF3 —
雙摻雜 Yb3+：Er3+ 980nm Ca3Al2Ge3O12玻璃 直接敏化
Yb3+：Ho3+ 980nm YVO4 直接敏化
Yb3+：Tm3+ 800nm 氟氧化物玻璃 間接敏化
Yb3+：Tb3+ 1064nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化
Yb3+：Eu3+ 973nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化
Yb3+：Pr3+ 1064nm LnF3/ZnF2/SrF2 BaF2/GaF2/NaF 直接敏化
Nd3+：Pr3+ 796nm ZrF4基玻璃 直接敏化
三摻雜 Yb3+： Nd3+ ：Tm3+ 800nm ZrF4基玻璃 間接敏化
Yb3+： Nd3+ ：Ho3+ 800nm ZrF4基玻璃 間接敏化
Yb3+： Er3+ ：Tm3+ 980nm PbF2:CdF2玻璃 直接敏化
1.5 上轉換發光材料的應用
稀土摻雜的基質材料在波長較長的紅外光激發下，可發出波長較短的紅、綠、藍、紫等可見光。通常情況下，上轉換可見光包含多個波帶，每個波帶有多條光譜線，這些譜線的不同強度組合可合成不同顏色的可見光[7]。摻雜離子、基質材料、樣品制備條件的改變，都會引起各熒光帶的相對強度變化，不同樣品具有獨特的譜線強度分布與色比關系（我們定義上轉換熒光光譜中各熒光波段中的峰值相對強度比稱為色比，通常以某以一波段的峰值強度為標准）。因而上轉換發光材料可應用到熒光防偽或安全識別上來。上轉換發光材料在熒光防偽或安全識別應用上的一個研究重點是制備上轉換效率高，具有特色的防偽材料，實現上轉換熒光防偽材料能夠以配比控制色比；也就是通過調整稀土離子種類、濃度以及基質材料的種類、結構和配比，達到控制色比關系。
1.6 本論文研究目的及內容
Nd:YAG激光器發出1064nm的激光，在激光打孔、激光焊接、激光核聚變等領域具有廣泛的應用價值，是最常用的激光波段。然而，由於人眼對1064nm的紅外光不可見，因此，需要採用對1064nm激光響應的紅外激光顯示材料制備的顯示卡進行調准和校正。
本論文採用氟化物作為基質，摻雜稀土離子，通過配方和工藝研究，制備對1064nm響應的紅外激光顯示材料。研究組分配比、燒結溫度、氣氛和時間等對粉體性能的影響。並採用XRD和熒光光譜分析等測試手段對粉體進行表徵。確定最佳燒結溫度、組分配比，最終獲得對1064nm具有優異紅外轉換性能的紅外激光顯示材料。
第二章 紅外激光顯示材料的合成與表徵
經過多年研究，紅外響應發光材料取得了很大進展，現已實現了氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、及多種晶體中不同稀土離子摻雜的藍綠上轉換熒光。然而上轉換熒光的效率距離實際實用還有很大的差距，尤其是藍光，其效率更低。因此，尋找新的紅外激光顯示材料仍在研究之中，本文主要研究對1064nm響應的發光材料。
本章研究了雙摻雜Er3+/Yb3+不同基質材料的藍綠上轉換熒光，得到了發光效果較好的稀土摻雜氟化物的紅外激光顯示材料，得到了一些有意義的研究結果。
2.1 紅外激光顯示材料的合成
2.1.1 實驗葯品
（1）合成材料所用的化學試劑主要有：LaF3，BaF2，Na2SiF6，NaF，氫氟酸，濃硝酸等。稀土化合物為Er2O3、Yb2O3，純度在4N以上。
（2）ErF3、YbF3的配製
制備Yb3+/Er3+共摻氟化物的紅外激光顯示材料使用的ErF3，YbF3是在實驗室合成的。
實驗採用稀土氧化物，稱取適量的Er2O3，Yb2O3放在燒杯1和燒杯2中，滴加稍微過量的硝酸（濃度約為8mol/L），置於恆溫加熱磁力攪拌器上攪拌，直至燒杯1中出現粉紅色溶液、燒杯2中出現無色溶液停止。其化學反應如下：
Er2O3+6HNO3→2Er(NO3)3+3H2O
Yb2O3+6HNO3→2Yb(NO3)3+3H2O
再往燒杯1和燒杯2中分別都加入氫氟酸，燒杯1中生成粉紅色ErF3沉澱，燒杯2中生成白色絮狀YbF3沉澱，其化學反應如下：
Er(NO3)3+3HF→ErF3↓+3HNO3
Yb(NO3)3+3HF→YbF3↓+3HNO3
生成的ErF3、YbF3沉澱使用循環水式多用真空泵進行分離，並多次使用蒸餾水進行洗滌，將從溶液中分離得到的沉澱倒入燒杯放入電熱恆溫乾燥箱，在100℃條件下保溫12小時，得到了實驗所需的ErF3、YbF3，裝入廣口瓶中備用。
2.1.2 實驗儀器
SH23-2恆溫加熱磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表製造有限公司）
PL 203電子分析天平（梅特勒一托多利儀器上海有限公司）
202-0AB型電熱恆溫乾燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）
SHB-111型循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）
WGY-10型熒光分光光度計（天津市港東科技發展有限公司）
DXJ-2000型晶體分析儀（丹東方圓儀器有限公司）
1064nm半導體激光器（長春新產業光電技術有限公司）
4-13型箱式電阻爐（沈陽市節能電爐廠）
2.1.3 樣品的制備
（1）實驗方法
本實驗樣品制備方法是：以稀土化合物YbF3、ErF3，基質氟化物為原料，引入適量的助熔劑，採用高溫固相法合成紅外激光顯示材料。
高溫固相法是將高純度的發光基質和激活劑、輔助激活劑以及助熔劑一起，經微粉化後機械混合均勻，在較高溫下進行固相反應，冷卻後粉碎、篩分即得到樣品[8]。這種固體原料混合物以固態形式直接參與反應的固相反應法是制備多晶粉末紅外激光顯示材料最為廣泛使用的方法。在室溫下固體一般並不相互反應，高溫固相反應的過程分為產物成核和生長兩部分，晶核的生成一般是比較困難的，因為在成核過程中，原料的晶格結構和原子排列必須作出很大調整，甚至重新排列。顯然，這種調整和重排要消耗很多能量。因而，固相反應只能在高溫下發生，而且一般情況下反應速度很慢。根據Wagner反應機理可知，影響固體反應速度的三種重要因素有：①反應固體之間的接觸面積及其表面積；②產物相的成核速度；③離子通過各物相特別是通過產物相時的擴散速度。而任何固體的表面積均隨其顆粒度的減小而急劇增加，因此，在固態反應中，將反應物充分研磨是非常必要的[6]。而同時由於在反應過程中在不同反應物與產物相之間的不同界面處可能形成的物相組成是不同的，因此可能導致產物組成的不均勻，所以固態反應需要進行多次研磨以使產物組成均勻。另外，如果體系存在氣相和液相，往往能夠幫助物質輸運，在固相反應中起到重要作用，因此在固相反應法制備發光材料時往往加入適量助熔劑。在有助熔劑存在的情況下，高溫固相反應的傳質過程可通過蒸發-凝聚、擴散和粘滯流動等多種機制進行。
（2）實驗步驟
根據配方中各組分的摩爾百分含量（表3-1，表3-2，表3-3中給出了實驗所需主要樣品的成分與摻雜稀土離子濃度），准確計算各試劑的質量，使用電子天平精確稱量後，把原料置於瑪瑙研缽中研磨均勻後裝入陶瓷坩堝中（粉體敦實後大概占坩堝體積的1/3），再放入電阻爐中保溫一段時間。冷卻之後即得到了實驗所述的紅外激光顯示材料樣品。圖2-1為實驗流程圖：

圖2-1 實驗流程圖
2.2 紅外激光顯示材料的表徵
2.2.1 XRD
X射線衍射分析是當今研究晶體精細結構、物相分析、晶粒集合和取向等問題的最有效的方法之一[10&9]。通常採用粉末狀晶體或多晶體為試樣的X射線衍射分析被稱為粉末法X射線衍射分析。1967年，Hugo M.Rietveld鑒於計算機處理大量數據的能力，在粉末中子衍射結構分析中，提出了全粉末衍射圖最小二乘擬合結構修正法。1977年，Malmros等人把這個方法引入X射線粉末衍射分析中，從此Rietveld分析法的研究開始迅速發展起來[16&10]。
本實驗採用丹東方圓儀器有限公司生產的DXJ-2000型晶體分析儀對粉末樣品進行數據採集，主要測試參數為：Cu靶Kα線，管壓45kV，管流35Ma，狹縫DSlmm、RS0.3mm.、SS1 mm，掃描速度10度/min（普通掃描）、0.02度/min（步進掃描），通過測試明確所制備的材料是否形成特定晶體結構的晶相，也可以簡單判斷隨著摻雜量的增加，是否在基質中有第二相形成或者摻雜的物質同基質一起形成固溶體。